变电站本科设计正文.doc

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1、北华大学毕业设计（论文）摘要随着科技的不断进步与发展，用户对电能质量的要求越来越高，而电压偏移的大小直接影响电能的质量。在电力系统中，变电站占有重要地位，因为电力系统中很多操作运行是在变电站内完成，所以选取合理地电压无功控制策略对变电站的稳定运行是非常必要的。本文就目前变电站常用的调节有载变压器的分接头与投切补偿电容器的方法做了简介，并设计了基本的控制方案。首先简单的介绍了基于九区图控制策略的变电站电压无功综合控制设计以及有关于九区图控制策略的不足之处，为了改善其不足之处本文提出通过增加两个防振小区的改进九区图控制策略，与传统九区图控制策略相比而言，前者等待运行点出防振小区，虽然牺牲了无功指标

2、却保证了电压质量的合格，而且避免产生震荡的动作现象。变电站电压无功综合控制器以有很强的抗干扰能力，易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的S7-300PLC作为主控单元，根据开关量采集电路和模拟量采集电路获取所需参数进行电压无功控制。为了提高控制可靠性，需要硬件控制与软件控制相结合，于此本文编制了相应的软件控制流程图。关键词：变电站；电压；无功功率；九区图控制策略；可编程控制器AbstractWith the continuous advancement and development of technology userrequirementsforpowerqualityandhigh

3、er, and the voltage offset direct effect on the quality of electricity. In the power system, the substation occupies an important position, because many of the power system operation and running is completed within the substation, it is necessary to choose a reasonable voltage and reactive power con

4、trol strategy for stable operation of the substation.In this paper, commonly used substation transformer load tap and compensation capacitor switching method of adjusting to do a brief introduction, and designs the basic control scheme. First, a brief introduction on the Ninth Region Plot control of

5、 voltage and reactive power integrated control strategy design, and at about nine-zone diagram control policy shortcomings. In order to improve its shortcomings by adding two vibration-proof papers presents an improved cell nine-zone diagram control strategy. With the traditional nine-zone diagram c

6、ontrol strategy compared, the former waiting to run point out the anti-vibration area, although at the expense of reactive indicators was to ensure that the qualified voltage quality, and avoid the phenomenon of shock action. Voltage and Reactive Power Integrated controller has a strong anti-jamming

7、 capability, easy with industrial systems as a whole, to expand its capabilities S7-300PLC as the master unit, according to digital acquisition circuits and analog acquisition circuit acquires the parameters required voltage and reactive power control. In order to improve control reliability, requir

8、es hardware control and software control combination, this article developed a corresponding software control flow chart.Key Words：Substations；voltage；reactive power；nine-area control strategy；the programmable controller目录摘要1Abstract21绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 本文主要工作22 变电站电压无功综合控制原理32.1 电压无功控制的

9、基本原理32.2 变电站电压无功综合控制的实现方法32.3 九区图控制策略32.3.1 九区图基本原理52.3.2九区图不合理动作分析72.3.2 九区图控制策略其他缺陷102.4 改进九区图控制策略113 综合控制装置的硬件设计143.1 控制系统主电路设计143.2 控制装置硬件设计153.3 PLC概述153.3.1 PLC的组成163.4 数据采集173.4.1 开关量的采集173.4.2 模拟量的采集173.4.3 交流采样的算法193.5 控制装置设计243.5.1 变压器档位调整控制电路243.5.2 电容器接线方案253.6 基于PLC控制的外部接线原理图264 控制装置软件设

10、计284.1 主程序设计284.2 各子程序功能模块的实现31结论38参 考 文 献39附录A基于PLC控制的外部接线原理图40致谢41- 4 -北华大学毕业设计（论文）1绪论1.1 选题背景和意义在电力系统中电压是衡量电能质量好坏一个及其重要的指标，电压大小是否稳定不仅关系到电力系统本身运行的安全，而且还影响到生活中千千万万的用户。如果电压偏移过大不仅严重影响了用户的正常生活与工业生产，还有可能使电力系统网络损耗增大，严重的情况下将会危害到电力系统稳定运行。这几年来，随着我国科技发展不断进步，国民经济的国民生产总值的不断得到增长，所以说咱们国家电力工业水平也有了突飞猛进地的发展与进步。于此同

11、时人们也开始广泛关注电力系统网络中的电压无功综合控制问题。这是由于随着日益飞速发展的电力电子技术，各式各样电力电子控制装置在电力系统网络、工业生产、交通运行以及普通家庭中被日益广泛的应用。又由于大多数电力电子装置具有较低的功率因数，所以它们在工作的过程中所消耗的无功功率在电网所输送的电能中将会占有很大的一部分的比例。在经过多次实际研究结果得出如下重要的结论，电力系统无功功率不足或无功功率分布不合理是影响电网电压质量下降的主要原因，所以合理地调节无功功率的补偿与分布的问题是改善电压质量重要手段之一。因此在变电站中合理的位置安装电压、无功综合控制器，可以根据电力系统运行情况对本变电站的电压和无功进

12、行自动控制，以保证用户生产生活的电压在规定的合理范围区域，同时使变电站高压侧母线进线功率因数有效提高。在日常的生产生活中，无人操作监控的变电站的越来越多，所以要想改善电能质量并且能有效提高社会劳动生产率进行电压无功自动控制已经成为不可缺少的手段。1.2 国内外研究现状目前传统的九区图控制理论被广泛应用于社会生产和实际生活当中，在电压-无功坐标平面内分别设置俩这的最大值与最小值可将运行区域划分为九个不同运行情况的区域，且各个运行区域需要各自对应的控制策略，我们可以根据实际检测到电压值与无功功率值判断出运行点所在的运行区域，然后选取正确的控制方法来调试运行点。由于我国人多地广，各个地区自身发展情况

13、参差不齐，所以各地变电站的技术不尽相同，要想实现对全国各地电力系统进行集中优化一起控制相当困难。综合以上实际情况可考虑对全国的变电站采用并联分散控制的方法，由此来满足各地自身电力系统网络安全、稳定、经济的运行。由于关联分散控制装置相对于分散控制其所需的投资成本大大的多于后者，所以说是我国变电站的分散控制仍然是主要的控制方式。因此，当前我国面临的重大问题是如何将全面电力系统进行集中优化控制，而且这也是我国未来在变电站自动化建设上所需要解决的中大问题。走出国门纵观国外各国发展情况来看，它们在各自的电力系统也都采用电压无功控制的方法，但它们各自有各自的控制方法。综合分析可知它们的控制方法有：个自分别

14、调节控制方式，综合起来调节控制的方式，区域集中起来控制模式，分层相互协调控制模式等。为了使电力系统网络中电压和无功调节控制方法相互协调，当前电力系统变电站电压无功综合控制总的发展形势是：首要考虑电力运行安全性和经济性，再次我们要向分层集中综合优化控制模式方式的方向前进发展。将整个电力系统按不同的电压等级进行分解就是所谓的分层，由上级与下级调度来负责控制“界面”电压、无功综合协调控制：将电力系统按不同的区域划分就是所谓的集中，根据本区自身电网无功电源的大小和自身调节能力的强弱可进行每个调度的优化协调控制；所谓的综合控制是指针对不同的无功补偿设备还有各种调压设备，根据它们各自的功效以及控制特征进行

15、合理的协调的控制使用。1.3 本文主要工作本文主要工作是根据九区图控制策略对变电站的电压和无功进行综合控制设计，经过各控制手段的分析比较，采用调节有载变压器分接头和投切电容器相互结合对变电站进行综合控制是比较常用的合理的方法。因为采用传统的九区图对变电站电压无功进行综合控制时，由于基本的九区图中电压无功被设为定值，但是又由于实际电压无功的波动性，运用传统的九区图控制不能达到很好控制效果，所以我们需要提出一些改进的方法以便于提高控制效果，即提出在传统九区图的基础上通过增加两个防振小区的改进方法。对于变电站电压、无功综合自动控制装置包括硬件装置的设计和软件设计。硬件装置选用可编程控制器 S7-30

16、0 PLC为主控单元，设计交流电压、电流模拟信号采集电路和一些开关量采集电路以便于获取适合的参数，对于交流参数的采集需要选取合适交流采样算法以获得比较准确的电压、电流值。于此同时，还需要编制相应软件的控制流程图。2 变电站电压无功综合控制原理2.1 电压无功控制的基本原理变电站电压的大小受多种因素的影响，电压大小的调节可通过调节主变高压侧的分接头进行控制，由于无功功率的大小也会影响电压的偏移，所以在对电力系统的无功功率进行无功补偿时，将会影响到电压的质量。在变电站的低压侧的每段母线上都连接有电容器组，所以可以通过投入或者切除每个电容器组来进行电压无功调节。在社会生产实际当中，我们可通过调节有载

17、变压器的分接头改变变压器的变比实现对变电站低压侧的电压进行调节，通过此次变压器调档不仅改变了电压的高低，而且也对电力系统的无功功率起到一定的调节作用。为了改善电网的无功功率时，需要投入或者切除变电站低压侧母线上的电容器组，电网负荷的无功功率也将得到有效的改变，所以由于无功功率引起的电压降将会得到改善。以上叙述可知，只要把两中调节手段相互结合起来，才能使变电站电压符合用户生产所需求，且无功也达到平衡的要求。2.2 变电站电压无功综合控制的实现方法电力系统利用输电线路和变压器传送电能时，将会有电压损耗和功率损耗产生。由于有电压损耗的产生，所以我们可同构调节有载调压变压器的分接头来改变低压侧电压值。

18、虽然电力系统的无功功率的大小可通过投切电容器组来调节，但是在调节无功的同时也会影响到电压的质量。在对电压进行调节的同时，无功功率也会随着发生改变；在无功功率调节时，电压也可发生变化。当在负荷发生变化时，电力系统的电压和无功功率也都将会发生相应的改变。变电站通过调节有载变压器的分接头调压和投切电容器组是相互影响，相互调节的综合控制手段。2.3 九区图控制策略在电力系统中，电压无功综合控制装置被广泛应用于变电站中，由于有载变压器分接头和并联电容器组是其主要的控制对象，保证主变压器的低压侧电压质量合格且尽可能的使进线功率提高是其主要的控制的目，故实际中一般选择变压器低压侧电压和高压侧进线处无功功率作

19、为状态变量。根据运行点处状态变量的实际值，变电站的运行状态被划分为九个不同的运行区域，定义为“九区图”，如图2.1所示。控制策略是变电站电压无功调节的基本准则。由于电压无功综合控制系统是一个具有相互影响双参数调节系统，因此合理地分配两者的工作关系是电力系统稳定运行首要条件。在电力系统中，变电站扮演者重要角色，其电压的大小受电力系统无功分布的影响，反之系统无功也受电压偏移的影响。因此电压无功控制策略除了要满足合格的电压质量和无功平衡，并且还需尽量减少控制装置的调节次数，同时还得保证系统能够稳定运行。为了达到电压无功控制的要求，先前的电压无功控制设备大都使用基于九区图的控制方案，控制设备按照电网电

20、压、无功功率、时间、有载调压变压器的分接头档位与并联电容器组投入切除状态等多种因素进行全面判定，按照实时数据判定目前的运行区域，再按照一定的控制规则，运用闭环控制变电站内电容器组的投切和有载调压变压器分接头的调动，为了使运行点进入到正常的工作区间，需使用最佳的控制顺序与较少的动作次数，使电压质量合格且无功功率大约为0（尽量接近于1）图2.1是九区图示意。图2.1 九区图2.3.1 九区图基本原理由图2.1 可知在一个平面内纵轴为电压轴，横轴为无功功率轴，根据生产社会生要求，电压无功需要设定上下限值，防止两者过大偏移影响正常生活。其中电压取主变压器低压侧母线电压，无功取主变压器高压侧母线无功功率

21、，有四个上下限值构成了九区图，同理无功功率也可用高压侧的功率因数代替。若是电力系统的无功功率越过横轴无功功率下限值表示无功过剩，那么变电站只能向电网传送无功；而当无功功率超过设定最大限定值时表示系统无功不满足需求。为了避免在投切电容时开关频繁操作，那么在设定无功功率限定值时，当投入切除一组电容器所引起的无功功率变化量应满足最大值与最小值限定值之差。一般情况下要求无功功率值应小于等于零。说明：图2.1九区图中，、分别表示电压最大值、电压最小值、无功最大值、无功最小值。根据电压无功控制的要求，应将主变压器低压侧母线电压控制在规定的电压限定值范围之内，确保电压质量符合要求；与此同时我们还需尽量把电力

22、系统无功功率或电网功率因数控制在合格的限定值之内；若电压和无功功率没有运行在目标区域范围内即两者同时满足要求时，我们需要优先保证电网电压质量合格。以下是九区图每个运行区域具体的调控策略：1区：无功功率满足要求，但是电压过大越过上限值，应先升变压器档位降压直至系统电压在合格的范围之内；当把变压器分接头调至最高档位时，而此时系统电压没有被调至合格范围内，那么需要较少无功功率也就是适当地切除与母线并联电容器组。2区：电网电压值已越上限整定值，且系统无功功率也不在合格的范围之内，我们需要先调档降低电压值直至电压在合格的区域范围之内；若分接头档位已上调至最高档，而电压仍高于上限，则强切电容。3区：电力系

23、统电压已经在合格范围之内，但是系统的无功功率不满足要求越上限值，我们需要向电网投入并联电容器组直至满足系统所需；若无电容器组可投，那么维持。4区：电压越下限，无功功率越上限，先投入并联电容器组使无功功率合格；若无电容可投或电容器组投完后而电压仍低于下限，则再降档升压至电压合格。5区：电网无功功率已经满足系统要求，但是电网电压已经越下限，我们需要降变压器档位升压至电压在合格的范围之内；特殊情况当变压器分接头已被调到最低位置时，而系统电压值还是在下限区域，那么需要增加系统无功即投入与母线并联电容器组。6区：运行点电压越下限不在目标区域内，且系统无功功率越下限也不再目标区域，需要先降变压器档位升压直

24、至电压合格；若分接头档位已调至最低档，而电压仍低于下限，则强投电容。7区：在此区域电压质量合格，但是电网无功功率不合格越下限，需要切除并联电容器组；若无电容器组可切，则维持。8区：在此区域电压越上限不在合格范围之内，系统无功功率越下限，先切除并联电容器组；另外当经过上述调节后，电压仍然不合格，那么需要调节变压器分接头来操作完成目标电压要求。9区：变电站电压无功控制的目标区域，电压无功控制装置不动作。由于系统负荷大小的不稳定性，在电力系统并常利用逆调压原则进行调压。在社会生产生活中当到用电高峰时传输线路上也将会产生的较大电压损耗，我们可以通过升高中枢点电压来补偿传输线路上的电压降落。同理，在低谷

25、负荷时候适当降低运行电压，将电压下限值降低。图2.2 给出了九区图各区域控制策略示意。图2.2 九区图各区域控制策略由于变电站负荷的电压静态特性不能被九区图控制策略区分，对恒定阻抗负荷和恒定功率负荷是通用的。在变电站安装电压无功控制装置进行监控不仅有效的提高了主变低压侧母线电压质量，而且实现了系统无功功率的就地平衡，降低了电网的功率损耗，提高了变电站的功率因数，且能够满足变电站的稳定运行的基本要求。2.3.2九区图不合理动作分析由图2.1就可知变电站低压侧电压和高压侧无功功率都设定了具体的最大值与最小值，而在社会生产生活中电压和无功并不是一成不变的，它们随着负荷大小的改变而改变，当两者同时被控

26、制的时候可能不会都满足系统稳定运行的要求，所以在调节两者值的大小时，也许不能把它们都调节到合格的范围之内，必然会在某个区域来回波动。电力系统运行在目标区域边缘，但不能直接进入其中，所以在控制装置的监控下系统会发生连续调档，或者频繁投切电容器组，增加系统振荡次数，损坏设备。如图 2.3 （a） 所示，即在变电站安装恒定阻抗模型负荷。若系统运行在六区可选用降低变压器档位位置而达到生涯的目的，当系统电压被提高的同时电力系统的无功功率的大小也将会受到严重的影响，因此系统运行可能进入七区，而不可能直接目标区域。当运行点不合理动作示意区域的S小区中时，调节变压器分接头降档有可能会使系统无功功率越下限值，此

27、时运行点或许进入七区或六区。同理可分析当运行点在四区时可以采用的辅助控制策略即降档升压，在电压被提高的同时也会使电力系统感性无功功率数值增大，因此该运行点将进入三区工作。 (a) 恒定阻抗负荷模型 (b) 恒定功率负荷模型（c）振荡动作示意图2.3 九区图不合理动作示意如图 2.3 （b）所示，为调节一个档位分接头时所引起的电网无功功率最小变化量，选取恒定功率模型的负荷作为变电站负荷。由图可知运用改变变比的方法来改善二区和六区电压的同时也将会严重影响无功功率的平衡，因此运行点只可能进入三区和七区。又如当电力系统的电压和无功位于一区中的 小区时，可以通过改变变压器分接头升档降压会使电网无功功率值

28、得大小越上限，此时该运行点将会进如三区或二区；另外哈有一种情况当系统电压无功值均位于五区中的 小区时，此时若要通过降档升压将会使电网无功功率越下限，那么运行点将会直接进入七区或六区。比较图2.3（a）、（b），可知对于恒定阻抗值负荷模型，若要对运行在六区的点采用改变变比降档升压策略那么运行点最终总会进入到七区。由于改变有载变压器的分接头进行调档对系统无功功率的改变影响极小，这些区域的调档控制方法基本上符合电压无功控制的主要目标，但也使系统的调档次数和投切电容器组的次数增加了。相比较情况下若是没有找到其他更好的控制方法，运行点在这些区域运行时害的只能采用调档措施。除此之外当运行点在九区图的某些区

29、域运行时，变电站被控制的时候主变高压侧的分接头和低压侧电容器的投切开关还可能出现频繁操作，系统产生振荡。所谓“振荡动作”它是指在对变压器的分接头进行调档的时候和投切电容组的时候，此时运行点不能直接进入合格的理想的目标区域内，而是进入到被控对象运行的临近范围区域，又或者是保持在原运行位置所在的区域。若是被控对象运行进入到相邻的区域，被其区域的控制策略所控制的时候，此时又会使电力系统运行状况回到原先所在的控制区域内。多次研究发现电力系统设备频繁的振荡也就是增加了主变高压侧分接头升降和低压侧投切电容器组的动作次数，这对开关等各种装置的使用年限严重的缩短，并且电力系统倍受冲击，为了减少上述情况的发生，

30、我们应当选取更加合理地控制方法。在图2.3（c）中可以看出，为投切一组电容器所引起的电压最小变化量，若是在变电站安装恒定阻抗模型的负荷。图2.3 （c）中，当系统运行于三区中由与所包围的区域内时，分析三区的电压无功控制策略，根据分析可得，为了对电力系统进行无功补偿可投入低压侧的一组电容器达到无功功率就地平衡，此时也将会引起电压值升高，于此同时系统无功功率值减小，功率因数也随着增大，当我们向系统投入所需的电容器时，系统运行可能进入上面两个区域，而不是目标区域；此后电压无功控制装置应该按以上两个区域的控制策略动作，可以分为下两种不同的状态。 投电容后运行点进入一区假如主变分接头有充裕的档位可以上调

31、，那么电压无功控制装置就可以执行升档动作，使电压值减小，由于功率因数不变化，所以电力系统无功功率的数值减小但是功率性质不会发生改变，同时无功功率不小于下限值在合格的范围之内，因此不管电力系统运行在何种状态，处于那种控制模式，最终运行点都将会进入目标区域内。若主变高压侧分接头已被调至最高档位，或者是另外一种情况即主变高压侧分接头档位因已经达到最大调节次数而使系统发出闭锁信号，此时电压无功控制装置就会执行强切电容器组的动作，这又使系统运行点回到原位置；电压无功控制再按三区的策略投电容，由于如此频繁的投切电容，系统将会产生震荡现象。 投电容后运行点进入二区假如主变分接头有充裕的档位可以上调，则电压无

32、功控制就可以执行升档动作，因此电压值就会降低，但是功率因数不会发生变化，但是电力系统的无功功率的数值减小但是它的性质不会发生变化。由于主变高压侧调档对系统无功功率没有那么大影响，在电压无功功率控制的模式下，因此运行点可能进入不了九区而是又进入小区，从而产生振荡动作现象。在电压-功率因数控制模式下，由于调档对功率因数无影响，运行点又回到小区，产生振荡动作现象。若主变高压侧分接头已被调至最高档位，或者是另外一种情况即主变高压侧分接头档位因已经达到最大调节次数而使系统发出闭锁信号，此时电压无功控制装置就会执行强切电容器组的动作，这样就会出现投切电容的开关频繁动作。通过多次试验研究表明，再使用九区图控

33、制方法时，我们可以观察到主变高压侧的分接头与低压侧投切电容的开关会频繁的动作，由于用户需要稳定的电压，所以不允许对变电站电压来回调节，严重影响工业生产和人们的正常生活用电，所以我们需要设定主变高压侧分接头的动作次数，一旦超过动作次数，控制装置将会发起闭锁信号，使分接头停止调节动作，此时电力系统很有可能发生振荡的现象。此外，我们在设定无功功率的最大值与最小值时，应充分考虑两者差值的大小，以便于减少投切开关的动作次数。2.3.2 九区图控制策略其他缺陷由上文分析可知在利用九区图控制策略控制变电站时，由于电压和无功的值是基于理想的情况考虑的，而在实际生活当中电力系统的电压和无功是随着电力负荷的变化而

34、变化的，因此还存在如下现象： 电压和无功随着春夏秋冬四季的变换，用户负荷的高峰期与低谷期的不同而变化的，而这九区图中是很难控制的。又由于调节主变高压侧分接头与低压侧投切电容器两者对变电站进行调压和调功率时是相互影响的，所以当这两种控制方式都起到控制作用时，变电站的工作者很难做出抉择使用哪类控制方法。通过测量变电站的实际电压值和无功功率值且基于使用九区图的控制方法，如果电力系统的电压和无功功率不超出设定的最大值与最下值，我们只需调节主变高压侧分接头即可。由电压无功的关系曲线可知，电压超出最小值时，无功功率曲线是由波谷转到波峰的情况，此时无功功率也会超出最大值。由此可得出九区图的控制走向是首先调节

35、主变高压侧的分接头运行点将会由第五区域进去第九区域，随后进入第三区，当低压侧的电容器被投入时，又会回到第九区。如果电压无功控制装置能够敏捷的指出无功功率的偏移造成电压值的越限，那么就可以在两者不超出最值时，快速调节无功功率的大小，从而使主变高压侧分接头的调节次数减少，提高设备使用寿命，改善电压质量。在实际工业生产生活中，九区图对于快速变化的电压不能做出迅速的调节方案。 在对实际电网电压控制时，比较常用逆调压的调节方法，这对于九区图控制策略是很难完成的。 运用九区图控制变电站时，有时候可能会出现电压不平稳运行的情况。 由以上情况可知，我们需要对传统的九区图控制方法进行改进，为此本文设计了增加两个

36、仿振小区的改进九区图控制策略。2.4 改进九区图控制策略从图2.3（c）中对两个运行点的情况分析可以看出，由电压无功控制装置调节的结果可知，控制不合理将会引起系统频繁振荡。因此有大量的电压无功控制装置在传统的九区图中增加了两个防振小区。图2.4 增加2个防振小区的改进九区图如上图所示，相对于传统的九区图可以看出被改进之后的九区图多了30与70两个防振得区域。这两个新增加的防止振荡的区域的控制策略是：若电力系统运行于七区或者三区的时候，为了防止变电站电压不超过设定最大值（或者是最小值）可将低压侧的电容器投入（或切除）一组即可。由此可以推出，这两个新增的防振区域的电压值的大小应该与由投切低压侧一组

37、电容器产生变化的最大的电压量即， ，分析电力系统运行在新增加的两个方针小区时，其电压无功控制装置的控制方法为：若是运行点在30小区，可以维持原运行状态即控制装置发出闭锁信号设备不动作或着调节升高主变高压侧分接头位置进行降压；若是运行点在70小区内，也可以维持不动作或者调节降低主变高压侧分接头档位提升电压值。考虑到运行点可能会在这两个防振小区，那么运用维持策略的好处在于当不考虑无功功率的大小时，此方法提高了用户电压的质量，而且改善了频繁振荡的缺点。相比其他运行情况，考虑到运行点在 30 这个防振小区运行时，电压大小比正常情况下稍大一些；而当运行点在 70 防振小区运行时，电压值堪比正常值稍小一些

38、。电压无功控制装置的厂家在选择 30 小区和 70 小区的调节控制方法时，提出如下策略：首先将系统电压调节至合适的值域内；其次调节系统无功功率的大小，由于条件的限制无功功率值很难达到理想的控制状态。在变电站负荷为恒定的阻抗模型时，运行点在30防振小区进行升档降压，升高主变高压侧分接头的档位使电力系统感性无功功率降低，这对于对于变电站电压无功控制策略，提高了电网无功的质量，系统运行点才有可能进入目标区域，相比之下运行点比较容易进入3区，由此可以对3区的运行点在低压侧投入电容器进入目标区域；当变电站的负荷位恒定功率模型时，提升主变高压侧分接头的档位时，电力系统的感性无功值总会增大，系统无功严重不平

39、衡，此时运行点进入3区的可能性比较大。对于在70防振小区采取主变高压侧分接头降低档位升压的控制方法，对于VQC模式，无论变电站的负荷时恒定阻抗模型或是恒定功率模型，当九区图中的无功功率设定的下限值小于或者等于零时，对系统实施降档调压措施，就会使电网的容性无功比例增大继而系统的无功平衡被破坏，所以被控对象有可能先进入7区，在这个区域执行切除电容控制策略之后进入目标区域九区，然而这影响了运行点直接进入九区。通过对两个防振小区控制策略分析可得：在新增的两个防振小区内对运行点进行升降变压器分接头档位调压，但是这种调控方式下很多时候会增加主变高压侧分接头与低压侧电容器组动作次数。当对变电站采用维持策略时

40、，比使用调档策略将会使系统的开关设备动作次数减少，但是此控制策略的缺点在于无法保证无功的平衡。因此我们需要把两种策略综合考虑，即：对于系统运行在30防振小区，若，可视变电站功率因数合格，此运行状态可以保持；若是功率因数不合格，可投入电容器进行无功补偿以及调节变压器分头升压，若是没有允许电容进行投切，那么就保持此运行状态。同理可分析当系统运行于70小区时，若，那么次运行状态也可以保持下去；若是功率因数不合格，可以切除低压侧电容器以及调节主变高压侧分接头升压，若是没有可以切除的电容，则维持次运行状态。在实际工业生产生活中可有多次试验总结公式得出，一旦设定值的大小被确定，那么电压无功控制装置需要一直

41、使用此数值。因为此设定值的大小与低压侧投入切除一组电容器时系统电压最大变化量是否相等，所以在对变电站进行控制时有可能会出现因最大实际值大于设定值时造成系统在进行无功调节时误投切电容器。另外，当运行点落在30（或70）小区中接近电压 （或）和无功边界处的时，由于投入（或切除）1组电容产生的实际电压变化量不超过，因此投切电容后运行点很可能直接进入9区，因此30（或70）小区的划分相对较为保守。3 综合控制装置的硬件设计3.1 控制系统主电路设计本控制装置的控制对象是110KV 变电站，其一次侧主电路设计如图3.1 所示。图3.1 控制系统主电路3.2 控制装置硬件设计通过对控制装置的分析，采用西门

42、子公司的S7-300PLC作为主控单元。S7-300 采用模块化结构设计，个模块之间可进行广泛的组合和扩展。其模块化结构易于实现分布式的配置且有较高的性价比、电磁兼容性比较强、抗震动冲击性能也不错，所以它被广泛的应用于各种工业生产当中。图3.2控制装置硬件框图3.3 PLC概述可编程控制器是主要应用于社会工业生产的一种数字型运算操作系统。内部配有的存储器可以直接在里面进行编程操作，在此存储器内部可以执行多种运算操作指令，例如丰富的逻辑运算、严谨的顺序控制，以及操作定时计数的指令系统和各种各式的算术运算等。在实际社会工业生产过程中有多种多样的控制量和被控制量，即可分为数字量和模拟量，这些参数可通

43、过此可编程控制器来控制，以便于各种类型的生产机械和生产过程简单顺利进行。可编程控制器及外围设备，都易于与工业系统连成一个整体、易于扩充原理设计。按照以上定义，PLC是一种工业用计算机，因此必须有很强的抗干扰能力，这是与一般微机系统不同的。3.3.1 PLC的组成可编程控制器按照本身不同的结构形式，它可分为整体式和组合式两大类别。对于变电站电压无功控制我们可以选用组合式的 PLC ，因为此类别的可编程控制器将各工作单元做成电路板或者是电路模块，然后把各工作模块插在底板上，且各模块安装在底板上并通过总线把它们连接在一起。另外这些工作模块也可直接通过系统总线里连接一起。如图3.3所示图3.3组合式P

44、LC的组成（1） 中央处理单元CPUCPU在可编程控制器中扮演者重要角色，类似于我们人类大脑的神经中枢，它是可编程控制器的运算、控制中心。（2） 存储器存储器在可变程控制器中的主要作用是用于存放各种各样的系统程序、操作人员编制的程序和许多系统工作状态数据。（3） I/O单元输入/输出接口电路是用来连接PLC主机与外部设备。为了提高抗干扰能力，一般的输入输出接口均有光电隔离装置，应用最广泛的室友发光二极管和光电二极管组成的光电隔离器。（4） 编程设备编程设备在PLC的外部装置中有及其重要的功能，用户程序利用此设备可以更好的进行输入、检查、修改、调试，并且可以对可变程控制器的实时工作情况进行在线监

45、视。（5） 电源电源部件用来将外部供电电源转换成可编程控制器的各工作模块以及各种电子电路的工作直流源，以便于可变程控制器能处于正常的工作状态。 3.4 数据采集 3.4.1 开关量的采集在变电站电压无功控制装置中，开关量包含有系统当中各个位置的断路器和隔离开关的辅助触点以及各式各样的继电器接点，主变高压侧分接头位置等。如图3.4所示图3.4开关量输入原理图3.4.2 模拟量的采集为了实现变电站的电压无功综合控制，需要采集高压侧交流电压和电流作为无功调节的依据，采集低压侧交流电压作为电压调节的依据。对于模拟量信号的采集电路如下图3.5所示。图3.5交流采样原理图由于电磁感应的干扰，所以需要安装滤

46、波电路，消除不必要的干扰。如图3.6所示，此电路可以滤除高频信号。图3.6低通滤波电路模拟量采集分为交流采样与直流采样，相对于直流采样，交流采样有以下优点：（1） 实时性好。（2） 由于交流采样能很好反映交流电压、电流的原波形，所以在谐波分析的场合，需用交流采样。（3） 交流采样得出来的电压、电流能进行无功和有功功率的计算，所以使测量设备的体积减小。（4） 交流采样需要高精确的A/D转换模块，能够保持系统测量的精确度。 由以上分析可知，交流采样的实现比较方便，且交流算法多种多样，所以在以后的生活中应用范围较广。3.4.3 交流采样的算法1.积分法当周期性的模拟信号为x(t)，那么它的有效值X的表达式为： （1） 公式中（1）的T为系统的工频周期。但是为了使计算机简便计算，需将模拟信号x(t)离散化，得： （2）公式中（2）N为一个周期中采样点的个数（采样周期是T/N）；x(k)表示在第K个点处的瞬时采样数值。由此可得交流电压、电流的有效值的计算公式为： （3） （4）根据公式（3）（4），可以计算线电压和相电流，以A相为例的计算公式： (5) （6）则将其有功功率定义为： （7）将P离散化后可得：